鐵路輪軸鋼生產過程控氮工藝與實踐

王 威

（山西太鋼不銹股份有限公司，山西 太原030003）

山西太鋼不銹股份有限公司（全文簡稱太鋼）煉鋼一廠，是國內鐵路輪軸鋼的重點生產廠，鐵路車軸鋼和車輪鋼占有較大的市場份額，為適應高品質鐵路用鋼的需求，對原有設備進行改造，主要生產線全套引進德國西馬克公司設備，主要設備：雙工位80 t CONARC爐1座，雙工位80 t LF爐兩座，雙工位80 t VD爐2座，3機3流大圓坯連鑄機1臺，于2015年元月投產，主要工藝線路CONARC—LF—VD—CC(大圓坯)或CONARC—LF—VD—模鑄，主要生產以鐵路車軸LZ50等為代表的車軸系列產品、鐵路車輪CL60等為代表的車輪系列產品、以及合金結構鋼、齒輪鋼、法蘭用鋼，高強度管坯等高等級鋼種。隨著鐵路大提速的開始，對車軸、車輪鋼的性能指標提出了更高的要求，要求鋼水的純凈度更高，在車軸和車輪鋼種把氣體含量作為交貨的必要條件，要求w[N]≤70×10-6，高強度管坯要求w[N]≤30×10-6，投產初期存在氮高不能按要求交貨的問題，因此生產過程中氮的控制就是純凈度控制的工作之一。為此，在新生產線投產后開展了鋼水氮含量穩定控制的工藝研究和生產實踐。

1 脫氮理論基礎

氮在鋼中有兩種存在形式：自由氮原子[N]、結合氮（如AlN、TiN）。

1.1 自由氮原子[N]

鋼中自由氮的溶解度遵循西華特定律：

式中：w[N]為鋼液中氮的質量百分濃度；fN為氮的活度系數；K'N為反應的平衡常數；PN2為與鋼液中氮平衡的氣相氮分壓。

由式（1）可知：鋼中氮的溶解度隨的增加而增加，溫度及化學成分通過對及的影響來影響氮在鋼液中的溶解度。當氣相中的實際氮分壓低于時，鋼液中的氮要降低。1 600℃、1 atm氮氣下純鐵中氮的溶解度為450×10-6。鋼液中的合金元素影響氮的溶解度，元素Zr、Ti、Nb、V、Cr等增加氮的溶解度，C、Si、O、S等降低氮的溶解度。

1.2 結合氮

在氮含量達到飽和以后，并且有與氮親和力大的元素X存在的條件下，鋼液中就會產生氮化物XN。

式中：α[X]為鋼液中X元素的活度；KXN為平衡常數。

由式（2）可知：氮的溶解度與PN2無關，隨fNα[X]的增加而減少。

當[N]低于溶解度時，可以通過降低PN2來脫氮；當鋼中氮含量高于溶解度后，會形成氮化物XN，其在鋼液中的浮升是進一步脫氮的途徑，強氮化物形成元素Zr、B、V、Nb、Ti、Cr等提高氮在鋼中的溶解度。實際生產中，在煉鋼溫度下不會生成它們的氮化物，氮在鋼液中以自由氮原子形式存在，因此脫氮是脫溶解氮而不是去除氮化物夾雜。

1.3 影響鋼液脫氮的因素

鋼中溶解氧高，脫氮率高；硫含量低，脫氮率高；溫度高，脫氮率高；同時鋼水吸氮是脫氮的逆過程，也包括上述三個方面，要實現鋼中氮的有效控制，除了采取措施脫去鋼水中現存的氮之外，更重要的是防止空氣中的氮氣造成的鋼水增氮，減少鋼水的原始氮含量。

2 CONARC—LF—VD—CC（模鑄）工藝過程鋼水增氮原因

2.1 CONARC（電轉爐）工序

太鋼煉鋼一廠冶煉采用80 t雙工位電轉爐，是國內第一臺電轉爐具備送電和頂槍吹氧的能力，同時具有電爐和轉爐的功能，能夠適應不同的鐵比進行冶煉。目前采用75%的鐵比，前期進行送電冶煉，后期頂槍吹氧脫碳吹煉，采用偏心底出鋼。在電轉爐工序，以下原因可能造成鋼水增氮：

1）電弧加熱融化廢鋼過程電離空氣吸氮。

2）送電過程不埋弧。

3）頂槍吹煉不到位后期進行補吹。

4）電轉爐出鋼過程和鋼包合金化吸氮。

2.2 LF工序

1）在LF工序鋼水的精煉過程中，電弧加熱過程電極周圍空氣中的氮氣極易電離而進人鋼液。

2）精煉過程合金調整導致增氮。

3）鋼包與爐蓋的縫隙過大，冷空氣進入爐內。

2.3 VD工序

1）VD真空處理后喂線增氮。

2）VD真空處理后軟攪拌過程增氮。

2.4 連鑄工序、模鑄工序

在連鑄工序，如果保護澆注效果不理想，常常會造成空氣與鋼水的直接接觸，進而引起鋼水的二次氧化和增氮。連鑄過程鋼水增氮主要包括以下方面：

1）大包與長水口連接處空氣的吸入。

2）中包液面湍流漩渦造成的空氣卷入。

3）中包液面裸露造成的增氮。

4）中間包至結晶器鋼水裸露造成的增氮。

5）模鑄增氮主要是澆鑄過程大包活動水口與錠模中鑄管之間的鋼水裸露吸氮。

3 生產前期工序氮含量（見表1和圖1）

表1 各工序鋼水w[N]分析 ×10-6

圖1 冶煉各工序中平均氮含量

從圖1中可看出：LF冶煉過程增氮量明顯增加，澆鑄過程的氮含量增加也較明顯，因此需要重點控制LF過程的操作，減少原始含氮量，更主要的是減少澆鑄過程的二次氧化吸氮。

4 CONARC—LF—VD—CC(模鑄)工藝過程鋼水氮的控制措施

4.1 電轉爐工序

在電轉爐煉鋼過程中，控制鋼水中吸氮：廢鋼融化過程采用小電壓供電，待泡沫渣形成后采用大電壓供電；供電與吹氧的轉換時，熔池內碳含量大于2.0%，保證吹氧期足夠的脫碳量，杜絕后期溫度不足補吹；出鋼過程控制鋼包底吹氬的流量，減少出鋼過程鋼水的大沸騰，減少鋼水與空氣的接觸。

4.2 LF工序

在LF精煉過程中，控制鋼水中的吸氮：采用泡沫渣埋弧加熱，減少電極加熱過程電離增氮；控制鋼包的包沿的平整度，鋼包與爐蓋的縫隙小于100 mm，在精煉過程中爐內保持微正壓，避免爐外空氣的吸入；合理控制送電過程的吹氬量，保證鋼水不裸露。

4.3 VD工序

VD真空處理是生產流程中的主要脫氮手段，強化操作工藝保證較好的脫氮效果：鋼包底吹氬良好；處理過程氬氣流量控制適中，真空處理過程鋼水裸露面大于鋼液面50%以上；真空度達到67 Pa以下，高真空保持時間大于20 min；采用在密閉狀態下喂線；嚴格控制軟攪拌時的氬氣流量，以鋼液面蠕動不吹破渣面為標準。

VD處理結束后，鋼水中氮含量處于最低，如何做好澆鑄過程的保護是保證成品氮含量控制達標的關鍵。

4.4 澆鑄過程保護措施

1）鋼包到中間包采用套管保護澆注，當保護套管出現裂紋或套管下端融損超過100 mm時必須進行跟換，在套管和大包水口之間加裝密封墊。

2）中間包水口采用固定式水口，在中包修砌時預先埋入長水口，澆鑄過程長水口進入結晶器長度大于110 mm。

3）中間包采用高液面操作，并及時加入中間包覆蓋劑。

4）模鑄澆鑄過程在大包水口安裝氬封保護裝置，通過氣簾隔絕空氣。

5 CONARC—LF—VD—CC、模鑄工藝過程鋼水氮的控制效果

表2 各工序鋼水w[N]分析 ×10-6

工藝改進后各工序的氮含量變化見表2和圖2。

從表2和表1比較可看出：電轉爐工序控氮效果明顯，電爐粗鋼水氮含量由33×10-6降低到21×10-6；LF爐冶煉過程增氮量由25×10-6降低到7×10-6；VD爐平均脫氮率達到35%；澆鑄過程平均增氮4×10-6，有效避免了二次氧化吸氣，成品氮含量33×10-6；達到比較理想的效果。

6 結論

1）冶煉澆鑄過程來講，LF爐中增氮最多．減少LF爐內的吸氮量是控制氮含量主要因素，LF增氮量≤10×10-6；真空脫氣（VD）處理是降低鋼液中[N]含量的關鍵環節。通過合理的工藝，嚴格控制過程操作，過程中鋼水的氮含量得到有效控制，實現最終產品低氮含量控制。

2）從過程控制看VD的脫氮率在35%左右，要想獲得更低的氮含量，必須降低鋼水的原始含氮量，同時嚴格控制澆鑄過程的增氮，澆鑄過程增氮量≤5×10-6。

3）氮元素在大多數鋼種中被視為有害元素，在輪軸鋼和管線鋼種要求盡量低，保證產品的加工和使用性能，盡可能降低鋼水中的氣體含量，將成為趨勢。